터널 강관 다단 그라우팅 공법의 합리적인 수치해석을 위한 균질화기법의 적용성 연구

Abstract

터널 보강공법으로 사용되는 강관 다단 그라우팅 공법은 다양한 보강재들이 각기 다른 매질특성을 가지고 임의의 타설방향으로 타설되며, 각 보강재들의 보강 메커니즘이 서로 달라 본 공법이 적용된 터널의 거동을 예측한다는 것은 상당히 어려운 일이다. 이를 위해 배규진 등(2003)은 2단계 균질화기법을 도입하여 보강된 지반매질을 하나의 복합체로써 정의하고 수치 모델화하여 3차원 탄소성 유한요소코드를 개발하였다. 본 연구에서는 강관 다단 그라우팅 공법의 합리적인 수치해석을 위해 배규진 등(2003)에 의해 개발된 균질화기법이 도입된 유한요소코드의 적용성 연구를 수행하였다. 첫 번째 연구로써 단순보 형태의 지반을 가정하고 강관 다단 그라우팅 공법의 보강요소를 개별적으로 모델링한 이산화해석과 균질화기법을 도입한 균질화해석을 수행하여, 단순보 지반 중앙 하단에 발생하는 변위를 비교한 결과 지반이 탄성영역으로부터 초기소성영역에 이르는 구간에서는 매우 작은 오차 범위 내에서 변위가 발생하는 것을 확인하였다. 두 번째 연구로써 한국철도기술연구원(1999)에서 수행한 실대형 모형실험 데이터를 이용하여, 원지반과 강관 다단 그라우팅 보강시로 나누어 굴착에 따른 터널 상단의 연직변위를 균질화해석 결과와 비교하였다. 비교 결과 원지반의 경우 최종변위의 오차량은 최고 32%, 강관 다단 그라우팅 보강 지반의 경우 최고 29%의 오차량을 보여주었다. 하지만 모형토조실험에서 터널 단면 크기에 따른 지반 구속조건을 고려할 때 대체로 실험양상과 일치한 결과로 판단되며, 명확한 보강매질의 물성치를 수치해석에 적용한다면 보다 유사한 해석결과가 도출 될 것으로 기대된다. 본 연구결과를 통해 균질화기법이 도입된 3차원 탄소성 유한요소코드의 적용성을 입증하였으며, 이를 토대로 향후 연구에서는 3차원 탄소성 유한요소코드를 이용하여 각 현장 지반조건별 설계입력자료를 도표화 하고 간편하게 설계자료로 활용할 수 있는 설계패턴 연구를 수행할 예정이다.; This paper is study on feasibility of a homogenization technique to numerical modeling for umbrella arch reinforcement method. It is known that the mechanism of the reinforcement system is too complex to be simulated in existent finite element (FE) frameworks when considering its complex geometry of pipe arrangements and contribution of each component of the reinforcement to reinforcing effect. Bae, Kyu-Jin et al.(2003) proposed a 3-D elastoplastic FE procedure introducing homogenisation technique, which is used to define mathematically elastic as well as elastoplastic characteristics of a reinforced ground material as a composite. Accordingly, the result of this paper shows that vertical displacement behavior through the small scale experiment on the tunnel reinforcement is as almost same as that through numerical analysis.